Control óptimo del carbono orgánico total del agua en la fabricación de semiconductores
La fabricación de chips semiconductores es uno de los procesos más complejos y precisos del mundo, y requiere un entorno extremadamente limpio, con agua ultrapura (UPW) como componente crítico en todos los pasos de la fabricación de las placas. El agua ultrapura utilizada en la fabricación de semiconductores es hasta 1,000 veces más limpia que el agua utilizada en otros sectores de la industria, como el de productos farmacéuticos y el de dispositivos médicos, lo que la convierte en una de las aguas más impolutas del planeta.
Debido a los continuos avances en inteligencia artificial, vehículos semiautónomos y eléctricos, y otras tecnologías, la demanda de chips semiconductores es más alta que nunca. Según la Asociación de la Industria de Semiconductores, las ventas globales alcanzaron los 46.200 millones de dólares en febrero de 2024, lo que representa un aumento interanual del 16.3%.
Las empresas de todo el mundo necesitan más semiconductores y de mayor rendimiento. Fabricarlos no es una tarea fácil, y requiere un estricto control del proceso y el monitoreo de la contaminación del agua ultrapura.
Uno de los parámetros clave para controlar la pureza del agua ultrapura y la efectividad del proceso es el carbono orgánico total (TOC), que mide la concentración de contaminantes orgánicos. Si bien el carbono orgánico está presente en todas las fuentes de agua naturales, tiene un impacto significativo en los procesos de fabricación de semiconductores, lo que provoca defectos, reducción del rendimiento y, potencialmente, hasta la interrupción total de la producción, que puede costar $125,000 por hora. El monitoreo de la contaminación orgánica ayuda a proteger la calidad de los chips y proporciona un excelente punto de control para la gestión general del proceso de agua ultrapura. A medida que avanza la tecnología de semiconductores, con tamaños más pequeños y diseños más complejos, la tolerancia a la contaminación por carbono orgánico total se vuelve aún más estricta, lo que hace que el control efectivo de este componente sea una prioridad para los fabricantes de semiconductores.
En la industria de los semiconductores, los niveles de carbono orgánico total requeridos en agua ultrapura suelen estar cerca del límite inferior en el rango de partes por mil millones (ppb), y algunos procesos críticos exigen concentraciones inferiores a un ppb. La Hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas publica periódicamente actualizaciones sobre estos valores límite. Los niveles ultrabajos obedecen a la necesidad de minimizar los defectos y mantener altos rendimientos más que al cumplimiento normativo, como ocurre en otras industrias.
Dada la importancia crítica del control del carbono orgánico total en la fabricación de semiconductores, los fabricantes deben comprender en profundidad los riesgos y desafíos asociados con la contaminación por carbono orgánico total y las estrategias y tecnologías más eficaces para mantener niveles ultrabajos en sus sistemas de agua ultrapura.
Riesgos de no detectar el carbono orgánico total
Los chips semiconductores incluyen funciones a nivel molecular, por lo que la precisión es crucial para monitorear contaminantes como el carbono orgánico total. En los procesos litográficos avanzados, incluso las concentraciones traza de compuestos orgánicos pueden interferir con las reacciones químicas involucradas en el modelado de la superficie de la placa, lo que provoca defectos y pérdida de rendimiento.
Los compuestos orgánicos de nitrógeno (un tipo específico de compuestos orgánicos que forman parte del carbono orgánico total) están omnipresentes en el medio ambiente y pueden ingresar a los sistemas de agua ultrapura a través de diversas fuentes, como la fuente de agua, aditivos químicos e incluso contaminantes en el aire. Estos compuestos existen en las fuentes de agua de todo el mundo, y predominan especialmente en lugares con gran actividad agrícola e industrial. Los compuestos orgánicos que contienen nitrógeno, como la urea, son particularmente difíciles de eliminar de los sistemas de agua ultrapura y pueden ser difíciles de detectar con tecnologías de monitoreo de carbono orgánico total convencionales. En la actualidad, a medida que se pone más énfasis en los esfuerzos de reciclaje y recuperación en los sistemas de agua ultrapura de las plantas de producción, el control efectivo de la urea y otros contaminantes llamados "recalcitrantes" se vuelve aún más crítico, ya que estas concentraciones pueden aumentar en el sistema con el tiempo.
Las tecnologías tradicionales de monitoreo de carbono orgánico total, como las basadas en mediciones directas de conductividad, a menudo son inadecuadas para detectar compuestos orgánicos de nitrógeno en agua ultrapura. Estas tecnologías a menudo no responden a la presencia de estos contaminantes, lo que genera falsos negativos y una falsa sensación de seguridad para los fabricantes de semiconductores. Sin embargo, el monitoreo avanzado de carbono orgánico total con tecnología conductimétrica de membrana es un método de probada eficacia para medir con precisión los compuestos orgánicos de nitrógeno y proporcionar datos confiables de carbono orgánico total para el control del proceso*.
Además de adoptar tecnologías avanzadas de monitoreo de carbono orgánico total, los fabricantes de semiconductores deben implementar las mejores prácticas para prevenir y eliminar los compuestos orgánicos de nitrógeno en sus sistemas de agua ultrapura. Esto puede incluir la optimización de los procesos de purificación de agua, como la ósmosis inversa y el intercambio iónico, para eliminar eficazmente estos contaminantes, y la implementación de protocolos estrictos de selección y manipulación de materiales para minimizar la introducción de compuestos orgánicos de nitrógeno en el sistema de agua ultrapura.
Falsos positivos en la medición de carbono orgánico total
Todas las aguas naturales contienen sales disueltas en diversas concentraciones que se disocian en el agua para formar iones cargados como cloruros, bromuros, fluoruros, sulfitos, sulfatos, nitritos y nitratos. Los iones inorgánicos como estos también se introducen en el agua ultrapura en algunos pasos del proceso dentro de las fábricas de semiconductores y deben controlarse para evitar los efectos adversos del procesamiento y la pérdida de rendimiento del producto. Cuando se utiliza la tecnología conductométrica directa, la presencia de estos contaminantes iónicos inorgánicos puede dar lugar a falsos positivos en las mediciones de carbono orgánico total. La membrana semipermeable que se usa en los dispositivos conductométricos de membrana evita eficazmente estas mediciones falsas de carbono orgánico total y, por lo tanto, ofrece un control superior del proceso de carbono orgánico total en comparación con los dispositivos conductométricos directos.
Cualquier falso negativo o falso positivo en las mediciones con tecnología conductométrica directa crea un riesgo que los fabricantes no pueden permitirse.
Cómo resuelve Veolia los desafíos del carbono orgánico total
Veolia ofrece una amplia gama de soluciones para ayudar a los fabricantes de semiconductores a mantener niveles ultrabajos de carbono orgánico total en sus sistemas de agua ultrapura. Con décadas de experiencia al servicio de la industria de los semiconductores, Veolia ha desarrollado una amplia experiencia en el tratamiento de agua ultrapura y el monitoreo de carbono orgánico total, lo que permite a nuestros expertos brindar soluciones personalizadas que cumplen con los estrictos requisitos de los procesos avanzados de fabricación de semiconductores.
En el núcleo de las soluciones de monitoreo de carbono orgánico total de Veolia para la industria de los semiconductores se encuentran los analizadores de carbono orgánico total Sievers M9e y M500e. Estos analizadores de última generación utilizan tecnología conductométrica de membrana avanzada para proporcionar mediciones de carbono orgánico total precisas y confiables hasta de partes por billón (ppt). El diseño basado en membranas de los analizadores Sievers les permite detectar una amplia gama de contaminantes orgánicos, incluidos compuestos orgánicos críticos de nitrógeno como la urea, lo que garantiza que los fabricantes de semiconductores tengan una imagen completa de la calidad de su agua ultrapura.
Al proporcionar mediciones de carbono orgánico total precisas y sensibles, los analizadores Sievers permiten a los fabricantes de semiconductores mantener un estricto control sobre la calidad de su agua ultrapura y minimizar el riesgo de interrupciones en el proceso debido a la contaminación por carbono orgánico total. Además de proporcionar equipos avanzados de monitoreo de carbono orgánico total, Veolia trabaja en estrecha colaboración con los fabricantes de semiconductores para optimizar todo su proceso de tratamiento de agua ultrapura y lograr un control eficaz del carbono orgánico total. Póngase en contacto con nuestros expertos hoy mismo para saber cómo podemos ayudarle a resolver los desafíos más difíciles a la hora de eliminar el carbono orgánico total del proceso de fabricación de semiconductores.
*J. Rydzewski, "Identification of Critical contaminants by applying an understanding of different TOC measuring technologies". Presentación de instrumentos en el Foro Ejecutivo en Wafertech 2001, Portland, OR, 4-5 de diciembre de 2001.
